Frontlap und Sidelap bei der Drohnenfotogrammetrie: Optimale Überlappung für Agisoft Metashape

Frontlap und Sidelap sind zwei der wichtigsten Einstellungen in der Drohnenfotogrammetrie. Selbst bei einer hervorragenden Kamera, RTK-Positionsbestimmung und einem geringen Ground Sampling Distance (GSD) kann eine unzureichende Bildüberlappung zu einer schlechten Ausrichtung, Lücken in der Punktwolke, einer instabilen Kamerakalibrierung und einer ungenauen 3D-Rekonstruktion führen.

Für in Agisoft Metashape verarbeitete Luftbildaufnahmen gilt als nützlicher Richtwert eine Vorwärtsüberlappung von etwa 80 % und eine seitliche Überlappung von mindestens 60%.

Diese Werte sollten jedoch eher als Ausgangspunkt denn als allgemeingültige Einstellung für jedes Projekt betrachtet werden. Baustellen, Wälder, Gebäude, Steinbrüche und komplexe 3D-Strukturen können von einer deutlich größeren Überlappung profitieren.

In diesem Leitfaden werden die Begriffe „Frontlap“ und „Sidelap“ in der Drohnenfotogrammetrie erläutert, es wird erklärt, wie sich die Bildüberlappung auf die Verarbeitung mit Metashape auswirkt, und es wird dargelegt, welche Überlappungseinstellungen für verschiedene Kartierungsanwendungen zu berücksichtigen sind.

Was versteht man unter „Frontlap“ in der Drohnenfotogrammetrie?

Der Begriff „Frontlap“, auch als „Forward Overlap“ bezeichnet, beschreibt, inwieweit sich zwei aufeinanderfolgende Bilder, die entlang derselben Fluglinie aufgenommen wurden, gegenseitig überlappen.

Wenn Ihre Mission beispielsweise eine Überlappung von 80 % vorsieht, sollten etwa 80 % der auf einem Foto sichtbaren Bodenfläche auch auf dem nächsten Foto zu sehen sein, das entlang der Flugbahn aufgenommen wird.

Das bedeutet, dass sich die Drohne vor der nächsten Aufnahme nur um etwa 20 % der Bildfläche vorwärts bewegt.

Durch eine höhere Frontlap erhält Metashape mehr Messwerte derselben Merkmale aus leicht unterschiedlichen Kamerapositionen.

Was ist Sidelap?

Der Begriff „Sidelap“(oder „seitliche Überlappung“) bezeichnet die Überlappung zwischen Aufnahmen, die auf benachbarten, parallelen Fluglinien aufgenommen wurden.

Wenn bei einer Vermessung eine Seitenüberlappung von 60 % verwendet wird, überlappen sich etwa 60 % der Bildfläche einer Fluglinie mit den Aufnahmen, die auf der benachbarten Fluglinie aufgenommen wurden.

„Frontlap“ steuert somit die Überlappung in Flugrichtung, während „Sidelap“ die Überlappung zwischen benachbarten Fluglinien regelt.

Warum benötigt Metashape eine Bildüberlappung?

Agisoft Metashape rekonstruiert eine Szene, indem es gemeinsame Merkmale in mehreren Fotos identifiziert.

Ein Merkmal, das nur auf einem Bild zu erkennen ist, kann nicht genügend Informationen für die photogrammetrische Triangulation liefern.

Das gleiche Merkmal muss aus mehreren Kamerapositionen sichtbar sein, damit Metashape dessen dreidimensionale Lage bestimmen kann.

Eine gute Überlappung trägt dazu bei, Folgendes zu gewährleisten:

• Zuverlässige Fotoausrichtung
• Weitere Gleichstandspunkte
• Verbesserte Kamerageometrie
• Vollständigere Punktwolken
• Bessere Rekonstruktion von Geländekanten
• Stabilere Kamerakalibrierung
• Verbesserte Erstellung von DEM und DSM
• Orthomosaike in höherer Qualität

Bei der Überlappung geht es daher nicht lediglich darum, Lücken zwischen den Fotos zu vermeiden. Sie bestimmt vielmehr, wie viel geometrische Redundanz im photogrammetrischen Block vorhanden ist.

Empfohlene Frontlap- und Sidelap-Werte für Agisoft Metashape

Für allgemeine Luftbildaufnahmen empfiehlt Agisoft ungefähr:

• 80 % Überlappung nach vorne
• 60 % seitliche Überlappung

Diese Werte bilden eine nützliche Grundlage für die herkömmliche Nadir-Kartierung in relativ offenem und überschaubarem Gelände.

In anspruchsvolleren Umgebungen kann eine Erhöhung der Überlappung die Robustheit der Rekonstruktion verbessern.

Die oben genannten Werte sollten eher als praktische Planungsbereiche denn als allgemeingültige Genauigkeitsstandards betrachtet werden. Die richtige Überlappung hängt vom Gelände, der Kamera, der GSD, der Fluggeometrie und den geforderten Endergebnissen ab.

Reichen 80 % Frontlap und 60 % Sidelap aus?

Bei vielen herkömmlichen Nadir-Vermessungen in offenem Gelände ist ein Verhältnis von 80:60 ein guter Ausgangspunkt.

Stellen Sie sich jedoch einmal vor, Sie müssten eine Baustelle kartieren, die Folgendes umfasst:

• Hochhäuser
• Ausgrabungen
• Lagerbestände
• Stützmauern
• Kräne
• Steiles Gelände

Objekte können aus bestimmten Kamerapositionen Teile des Geländes verdecken. Ein Punkt, der auf einer Fluglinie sichtbar ist, kann auf einer anderen Fluglinie aus dem Blickfeld geraten.

Eine zunehmende Überlappung bietet zusätzliche Blickwinkel und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass jeder wichtige Teil der Stätte auf genügend Fotos zu sehen ist, um eine zuverlässige Rekonstruktion zu ermöglichen.

Warum eine größere Überlappung die Photogrammetrie verbessern kann

Eine größere Überlappung führt zu einer höheren Redundanz.

Anstatt dass ein Motiv auf dem Boden nur auf wenigen Fotos zu sehen ist, kann es auf vielen Bildern erscheinen, die aus unterschiedlichen Positionen aufgenommen wurden.

Dies kann Folgendes verbessern:

• Verteilung der Gleichstandspunkte
• Toleranz gegenüber einzelnen minderwertigen Fotos
• Selbstkalibrierung der Kamera
• Rekonstruktion im Bereich der Bildränder
• Abdeckung im Bereich von Okklusionen
• Gesamtstabilität der Ausrichtung

Dies ist besonders nützlich, wenn die Oberfläche sich wiederholende oder komplexe Strukturen aufweist.

Kann es zu viele Überschneidungen geben?

Ja, unter dem Gesichtspunkt der Effizienz.

Eine zunehmende Überlappung bedeutet, dass mehr Fotos desselben Bereichs aufgenommen werden.

Es kommen weitere Fotos hinzu:

• Flugdauer
• Anzahl der Bilder
• Lagerungsanforderungen
• Dauer der Fotoausrichtung
• Verarbeitungszeit der Tiefenkarte
• RAM-Anforderungen
• Arbeitsaufwand bei der Verarbeitung von Punktwolken

Wenn Sie beispielsweise die Überlappung bei einer Mission von „moderater Überlappung“ auf 90 % Frontüberlappung und 90 % Seitenüberlappung erhöhen, kann dies zu einer deutlich höheren Anzahl an Fotos führen, ohne dass sich dadurch zwangsläufig eine proportionale Verbesserung des Endergebnisses ergibt.

Das Ziel sollte daher eine ausreichende geometrische Redundanz sein, ohne dabei unnötige Daten zu erzeugen.

Frontlap, Drohnen-Geschwindigkeit und Fotointervall

Die Frontlap steht in direktem Zusammenhang damit, welche Strecke die Drohne zwischen den einzelnen Aufnahmen zurücklegt.

Bewegt sich die Drohne zu schnell für das gewählte Kamera-Intervall, verringert sich die Überlappung nach vorne.

Diese Beziehung lässt sich konzeptionell wie folgt verstehen:

Höhere Geschwindigkeit + gleiches Fotointervall = niedrigere Frontlap-Zeit

Geringere Geschwindigkeit + gleiches Fotointervall = höhere Frontlap

Software zur Missionsplanung berechnet den erforderlichen Abstand zwischen den Aufnahmen in der Regel automatisch anhand der Flughöhe, des Aufnahmebereichs der Kamera und der gewählten Überlappung.

Die Kamera muss jedoch technisch in der Lage sein, Fotos im erforderlichen Zeitabstand aufzunehmen.

Überlappung und Bewegungsunschärfe

Eine Verkürzung der Belichtungszeit durch die extrem schnelle Aufnahme von Fotos ist nicht sinnvoll, wenn die resultierenden Bilder unscharf sind.

Scharfe Fotos sind für eine genaue Merkmalserkennung unerlässlich.

Bei schlechten Lichtverhältnissen kann es vorteilhafter sein, die Geschwindigkeit der Drohne zu verringern, anstatt längere Verschlusszeiten zu verwenden, die zu Bewegungsunschärfe führen.

Ein Datensatz, der weniger scharfe Fotos mit korrekter Überlappung enthält, ist in der Regel nützlicher als Tausende von unscharfen Bildern.

Überlappung und Bodenabtastabstand

Überlappung und Bodenauflösungsabstand (GSD) sollten gemeinsam geplant werden.

Ein niedrigerer Flughöhe verringert die GSD und liefert detailliertere Bilder, verringert jedoch auch die von jedem Foto abgedeckte Fläche am Boden.

Wenn der Abstand zwischen den Fluglinien und das Kameraintervall nicht entsprechend angepasst werden, ändert sich die Überlappung.

Aus diesem Grund sollten bei der photogrammetrischen Flugplanung folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Abmessungen des Kamerasensors
• Brennweite
• Flughöhe
• Ziel-GSD
• Überlappung nach vorne
• Seitliche Überlappung
• Geschwindigkeit der Drohne

Diese Parameter stehen miteinander in Zusammenhang.

Überlappung auf unebenem Gelände

Bergiges Gelände, Steinbrüche und Aushubstellen können ein weiteres Problem darstellen.

Ein Flug, der auf einer festen Höhe relativ zum Startpunkt geplant ist, hält keinen konstanten Abstand zum Boden ein.

Je flacher das Gelände wird, desto größer wird der Bildabdruck. Steigt das Gelände in Richtung des Flugzeugs an, wird der Bildabdruck kleiner.

Dies bedeutet, dass die effektive GSD und die Überlappung im Verlauf der Mission variieren können.

Eine geländegerechte Flugplanung kann dazu beitragen, einen gleichmäßigeren Abstand zwischen Kamera und Boden aufrechtzuerhalten und somit eine besser vorhersehbare GSD und Überlappung zu gewährleisten.

Optimale Bildüberlappung für Baustellen

Baustellen weisen häufig eine komplexe Geometrie und häufige Höhenunterschiede auf.

Ein praktischer Ansatz besteht darin, ungefähr folgende Werte zu verwenden:

• 80–85 % der ersten Runde
• 70–80 % Seitenüberlappung

Zusätzliche schräge Aufnahmen können von großem Nutzen sein, wenn eine genaue Rekonstruktion von Fassaden, Stützmauern, Aushubflächen und vertikalen Bauwerken erforderlich ist.

Ein reines Nadir-Raster kann zwar ein hervorragendes Orthomosaik erzeugen, ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, vertikale Flächen korrekt zu rekonstruieren.

Optimale Überlappung für Steinbrüche und Bergwerke

Steinbrüche weisen steile Wände, Absätze und starke Höhenunterschiede auf.

Eine größere Überlappung als bei einer einfachen Vermessung in flachem Gelände ist oft von Vorteil.

Ein sinnvoller Ausgangsbereich ist:

• 80–85 % der ersten Runde
• 70–80 % Seitenüberlappung

Schrägaufnahmen können die Rekonstruktion von Abbauflächen verbessern, die auf vertikalen Nadir-Aufnahmen nur schlecht zu erkennen sind.

Optimale Überlappung für die Vegetation

Vegetation gehört zu den anspruchsvolleren Oberflächen für die Photogrammetrie.

Blätter und Äste können sich aufgrund von Wind zwischen den einzelnen Aufnahmen bewegen, während große Vegetationsflächen wiederkehrende Strukturen aufweisen können.

Eine Erhöhung der Bildredundanz kann dazu beitragen, mehr Möglichkeiten für einen erfolgreichen Merkmalsabgleich zu schaffen.

Bei schwer bepflanztem Gelände können je nach Flughöhe und Projektanforderungen eine Vorwärtsüberlappung von etwa 85–90 % und eine seitliche Überlappung von 75–85 % als praktischer Ausgangspunkt angesehen werden.

Einfachraster vs. Doppelraster

Ein Normal-Mapping-Flug verläuft in der Regel entlang paralleler Linien in eine Richtung.

Bei einer Mission mit doppeltem Raster kommt ein weiterer Satz von Fluglinien hinzu, der das erste Raster in der Regel annähernd senkrecht dazu kreuzt.

Dadurch entstehen Aufnahmen aus weiteren Kamerapositionen, wodurch die Geometrie des photogrammetrischen Blocks gestärkt wird.

Einsätze mit doppeltem Raster können nützlich sein für:

• Baustellen
• Gebäude
• Komplexe Industriestandorte
• Städtische Gebiete
• Projekte, die eine präzise Kamerakalibrierung erfordern

Der Nachteil besteht darin, dass die Anzahl der Aufnahmen und die Flugzeit erheblich zunehmen.

Nadir- und Schrägaufnahmen

Der Überlappungsprozentsatz allein garantiert noch keine gute 3D-Rekonstruktion.

Wenn alle Aufnahmen senkrecht nach unten gerichtet sind, können senkrechte Wände selbst bei sehr hoher Überlappung nur unzureichend erfasst werden.

Kombinieren Sie bei komplexen 3D-Szenen Nadir-Aufnahmen mit Schrägaufnahmen, die aus verschiedenen Richtungen aufgenommen wurden.

Dies verbessert die Sichtbarkeit von Fassaden und vertikalen Flächen und sorgt zugleich für eine stabilere Kamerageometrie.

Bei einem Gebäude, einer Brücke oder einer Industrieanlage kann der Betrachtungswinkel der Bilder daher ebenso wichtig sein wie der Überlappungsprozentsatz.

Was geschieht, wenn die Überlappung zu gering ist?

Eine unzureichende Überlappung kann folgende Auswirkungen haben:

• Nicht ausgerichtete Kameras
• Einzelne Kamerakomponenten
• Geringe Anzahl von Bindungspunkten
• Lücken in der Punktwolke
• Unvollständige DEMs
• Lücken im Orthomosaik
• Instabile Kamerakalibrierung
• Lokale Verformung

Leider lassen sich Überschneidungen nach der Erhebung nicht mehr wirklich beheben.

Sollten wichtige Bereiche des Geländes nicht aus ausreichend vielen Kamerapositionen erfasst worden sein, ist die Wiederholung des Fluges möglicherweise die zuverlässigste Lösung.

Mehr Bilder sind in der Regel besser als fehlende Bilder

Wenn Sie sich zwischen einer etwas zu umfangreichen und einer unzureichenden Bildauswahl entscheiden müssen, ist es in der Regel sicherer, zusätzliche Fotos zu machen.

Zusätzliche Bilder können später von der Verarbeitung ausgeschlossen werden, sofern sie nicht benötigt werden.

Fehlende Blickwinkel lassen sich jedoch nicht mehr nachbilden, nachdem die Drohne den Standort verlassen hat.

Dies ist insbesondere bei Erhebungen in abgelegenen Gebieten oder bei kostspieligen Erhebungen von Bedeutung, bei denen eine Wiederholung der Mission unter Umständen schwierig sein könnte.

So überprüfen Sie die Bildüberlappung in Metashape

Erstellen Sie nach der Aufbereitung des Datensatzes einen Projektbericht unter Verwendung von:

Datei „ > “ – Bericht erstellen…

Der Bericht enthält ein Diagramm mit den Kamerastandorten sowie Informationen zur Bildüberlappung, anhand derer sich Bereiche identifizieren lassen, die durch zu wenige Fotos erfasst wurden.

Bereiche mit geringerer Überlappung verdienen bei der Bewertung der Ausrichtungsqualität, der Vollständigkeit des digitalen Geländemodells (DEM) und der Zuverlässigkeit des resultierenden Orthomosaiks besondere Beachtung.

So planen Sie die Bildüberlappung für Metashape

Ein praktischer Arbeitsablauf sieht wie folgt aus:

1. Legen Sie die erforderlichen Ergebnisse fest.
2. Wählen Sie die gewünschte Bodenabtastung (Ground Sampling Distance) aus.
3. Ermitteln Sie die erforderliche Flughöhe.
4. Verwenden Sie für die Standard-Luftbildkartierung mindestens etwa 80 % Überlappung nach vorne und 60 % seitliche Überlappung.
5. Erhöhen Sie die Überlappung bei komplexem Gelände oder komplexen Strukturen.
6. Verwenden Sie die Geländefolgesteuerung, wenn sich die Höhe deutlich ändert.
7. Fügen Sie Bilder mit Gitterlinien oder schrägen Linien hinzu, wenn die 3D-Geometrie von Bedeutung ist.
8. Bitte überprüfen Sie, ob die Geschwindigkeit der Drohne und das Kameraintervall die gewählte Überlappung gewährleisten können.
9. Machen Sie scharfe Fotos.
10. Überprüfen Sie den Datensatz nach Möglichkeit in Metashape, bevor Sie das Erhebungsgebiet verlassen.

Abschließende Empfehlungen

Bei der allgemeinen Drohnenfotogrammetrie, die in Agisoft Metashape verarbeitet wird, sollten eine Überlappung von 80 % in Vorwärtsrichtung und eine Überlappung von 60 % in seitlicher Richtung eher als Ausgangswert denn als ehrgeiziges Ziel betrachtet werden.

Bei komplexen Standorten kann eine Erhöhung der Abdeckung auf etwa 80–85 % bei der vorderen Überlappung und 70–80 % bei der seitlichen Überlappung eine größere Redundanz bei der Rekonstruktion gewährleisten.

Schwierige Oberflächen, Vegetation und komplexe Strukturen können eine noch größere Abdeckung, zusätzliche Flugrichtungen oder Schrägaufnahmen erfordern.

Denken Sie vor allem daran, dass die Überlappung nur ein Aspekt einer guten photogrammetrischen Erfassung ist.

Die besten Ergebnisse lassen sich durch eine Kombination folgender Maßnahmen erzielen:

• Angemessene Überlappung vorne und an den Seiten
• Korrekte GSD
• Scharfe Fotos
• Starke Kamerageometrie
• Präzise RTK-, PPK- oder Bodenkontrollpunkte
• Unabhängige Kontrollstellen
• Korrekte Metashape-Verarbeitung

Wenn Sie vor dem Flug einige Minuten darauf verwenden, eine ausreichende Bildüberlappung zu planen, können Sie sich später stundenlange Fehlerbehebung bei einem unvollständigen oder instabilen Metashape-Projekt ersparen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Überlappung sollte ich für Agisoft Metashape verwenden?

Für allgemeine Luftbildvermessungen empfiehlt Agisoft als Richtwert eine Überlappung von etwa 80 % in Vorwärtsrichtung und mindestens 60 % in seitlicher Richtung.

Was ist der Unterschied zwischen „Frontlap“ und „Sidelap“?

Die Frontlap bezeichnet die Überlappung zwischen aufeinanderfolgenden Bildern entlang derselben Fluglinie. Die Sidelap bezeichnet die Überlappung zwischen Bildern, die auf benachbarten Fluglinien aufgenommen wurden.

Reicht eine Überlappung von 70 % für die Drohnenfotogrammetrie aus?

Das hängt davon ab, ob Sie eine Überlappung nach vorne oder zur Seite meinen, sowie vom jeweiligen Projekt ab. Bei Metashape-Luftbildvermessungen empfiehlt Agisoft für die Überlappung nach vorne einen höheren Richtwert: etwa 80 % Überlappung nach vorne und mindestens 60 % Überlappung zur Seite.

Ist eine Überlappung von 80/80 besser als eine von 80/60?

Eine größere seitliche Überlappung bietet zusätzliche Redundanz und kann die Umsetzung anspruchsvoller Projekte verbessern, erhöht jedoch auch die Anzahl der Aufnahmen, die Flugzeit und den Verarbeitungsaufwand. Sie sollte eingesetzt werden, wenn die Projektgeometrie den zusätzlichen Datenaufwand rechtfertigt.

Welche Überlappung sollte ich für die Bauvermessung verwenden?

Ein praktischer Ausgangsbereich von etwa 80–85 % für die Frontüberlappung und 70–80 % für die Seitenüberlappung kann auf Baustellen sinnvoll sein, insbesondere dort, wo Bauwerke, Aushubflächen und erhebliche Höhenunterschiede vorhanden sind.

Benötige ich bei der Vegetation eine größere Überlappung?

Oftmals ja. Die Vegetation lässt sich aufgrund von Bewegungen und sich wiederholenden Texturen nur schwer abgleichen. Eine erhöhte Bildredundanz kann die Zuverlässigkeit der Rekonstruktion verbessern.

Garantiert eine hohe Überlappung eine genaue Photogrammetrie?

Nein. Eine hohe Überlappung trägt zwar zu einer hohen Bildredundanz bei, doch hängt die Genauigkeit auch von der GSD, der Bildschärfe, der Kamerageometrie, der Kalibrierung und der Georeferenzierung ab.

Kann ich eine geringe Überlappung in Metashape beheben?

Die Verarbeitungseinstellungen können keine Blickpunkte erstellen, die nie erfasst wurden. Sollte eine unzureichende Überlappung zu fehlenden oder instabilen Rekonstruktionen führen, kann eine Wiederholung der Vermessung erforderlich sein.